Реферат: Триботехника

ИП позволяет: 1) при изготовлении машин экономить металл (15-20%) за счет большей грузоподъемности (в 1,5-2 раза) пар трения; 2) увеличить срок работы машин (в 2 раза), сократить период приработки двигателей (в 3 раза) и редукторов (до 10 раз), соответственно сократить расход электроэнергии; 3) в подшипниках качения и скольжения уменьшить расход смазочных материалов (до 2 раз); 4) повысить КПД глобоидных редукторов с 0,7 до 0,85; винтовой пары с 0,25 до 0,5; 5) увеличить экономию драгоценных металлов (золота, платины, серебра) в приборах в 2-3 раза за счет большей надежности электрических контактов.

Необходимо отметить, что сейчас в триботехнике ясно проступают черты новой концепции трения, основанной на глубокой теоретической проработке раздела физики – термодинамики образования самоорганизующихся структур при необратимых процессах. Разработка этой теории, а также дальнейшее развитие работ по созданию практически неизнашиваемых узлов трения машин, оборудования и приборов с использованием ИП – одни из важнейших проблем современной триботехники.

Программа исследований водородного изнашивания и избирательного переноса

Избирательный перенос при трении и водородное изнашивание металлов – это два совершенно противоположных явления, и их физические механизмы сложны. Изучение водородного изнашивания и ИП находится еще в начальной стадии, поэтому как в теоретическом плане, так и в плане разработки и реализации в промышленности новых методов борьбы с изнашиванием машин и оборудования на основе этих явлений необходимо создать комплекс исследований, результаты которых могут решить задачи, поставленные перед триботехникой.

Исходя из известных представлений о водородном изнашивании, выполненных научно-исследовательских работ и потребностей производства, необходимо проводить работы в следующих направлениях:

• разработки приборов и методов исследования водородного изнашивания деталей машин;
• изучение процессов наводороживания металлов при трении с фрикционными пластмассами для оценки количественных характеристик перераспределения водорода в поверхностных слоях, изучение свойств наводороженного металла при трении, влияние режимов трения на наводороживание с широким использованием новейших методов исследования;
• исследование наводороживания наиболее изнашиваемых деталей машин и оборудования в процессе эксплуатации и оценка вклада в снижение их износостойкости как биографического, так и образуемого при трении водорода с целью разработки требований к качеству конструкционных материалов, смазочным материалам и специальным жидкостям, применяемым в узлах трения;
• исследование влияния электрического и магнитного полей на процессы наводороживания при трении с целью определения количественных характеристик процессов и разработки новых путей борьбы с водородным изнашиванием;
• изучение процессов наводороживания поверхностей трения при различных видах обработки поверхностей трения деталей (механические, термические и химико-термические);
• исследования подавления водородного изнашивания пары трения металл-древесина с целью повышения стойкости режущего инструмента при обработке древесных изделий;
• разработка методов подавления водородного изнашивания в узлах трения, смазываемых водой при высоких давлениях и скоростях скольжения;
• разработка методов подавления водородного изнашивания узлов трения с титановыми сплавами с целью повышения их антифрикционных характеристик и расширения применения в узлах трения;
• изучение общих закономерностей водородного изнашивания и выявления областей его проявления, а также создания научных основ борьбы с ним;
• изучение действия водорода при абразивном изнашивании в условиях действия коррозионно-активных сред и повышенной влажности, фреттинг-коррозии, контактной усталости, коррозионно-механического изнашивания, кавитации и эрозии;
• разработка методов подавления водородного изнашивания деталей авиатехники, нефтехимического оборудования, железнодорожного транспорта (рельсов, коле, деталей двигателей тепловозов, в частности цилиндров и поршневых колес), инструмента по обработке меховых изделий, деталей сельскохозяйственных машин и других отраслей техники.

К первоочередным задачам по изучению ИП при трении следует отнести:

• создание комплекса приборов и установок для изучения ИП;
• исследование работоспособности шариковых и роликовых подшипников, а также зубчатых передач в условиях ИП;
• создание новых эффективных металлоплакирующих присадок к смазочным материалам, обеспечивающих режим ИП в двигателях внутреннего сгорания как для приработки, так и для установившегося режима работы;[3]
• исследование конструктивных особенностей смазочных систем при работе на металлоплакирующих смазочных материалах, определение их эксплуатационных характеристик и оценка эффективности их применения;
• исследование возможности применения ИП при штамповке, дорновании, протяжке, определение оптимального состава смазочно-охлаждающих жидкостей и их эффективности;
• исследования трения без смазочного материала в режиме ИП в парах металл-металл, металлополимер-металл;
• разработка новых масел и смазок, обеспечивающих металлоплакирование в зоне контакта трущихся деталей, создание опытного производства таких материалов и внедрение их на промышленных предприятиях.

Опыт применения избирательного переноса в промышленности показывает, что успех перехода на использование принципиально новых смазочных материалов для узлов трения, технологических процессов, новых материалов и конструкций подвижных сочленений достигается только в тех случаях, когда проводилась систематическая научно-исследовательская работа применительно к конкретным узлам трения машин данной отрасли. Попытка расширить внедрение новых методов повышения износостойкости узлов трения простой передачи промышленным предприятиям технических конструкций или даже опытных смазочных материалов не приводила и не может привести к положительным результатам. Знание общих вопросов теории трения и изнашивания в машинах оказывается недостаточным, требуется изучение специальных разделов физикохимии, трибохимии, трибофизики.[2] В каждой отрасли техники, на объектах которой предполагается проведение работ по избирательному переносу, необходимо обучение специалистов в институтах повышения квалификации или в университетах, где есть подготовка по соответствующей специальности. Опыт тех организаций, которые уже реализовали преимущества избирательного переноса в узлах трения механизмов, должен быть тщательно изучен, но в каждой отрасли в головных научно-исследовательских институтах необходимо создать лаборатории, которые бы накапливали опыт применения ИП и разрабатывали свою техническую документацию.

Проблема расширения и применения ФАБО

Как известно, износостойкость зависит от окончательной (финишной) технологической обработки поверхностей деталей. Имеются обширные экспериментальные исследования по влиянию шероховатости поверхностей трения на интенсивность изнашивания деталей. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальный (приработочный) износ, но и установившийся износ. В последние годы разработаны новые технологические процессы финишной обработки деталей, которые позволяют снизить приработочный износ деталей и повысить антифрикционные свойства сочленения (улучшить смазку деталей, снизить коэффициент трения). К таким методам можно отнести вибрационную обработку поверхностей трения и алмазное выглаживание. Однако триботехники считают, что использованы еще не все резервы повышения износостойкости деталей в части применения новых финишных обработок.

В связи с изложенным крайне необходима разработка нового технологического метода окончательной обработки деталей, при котором вообще исключалась бы абразивная обработка поверхности. К таким методам относится разработанная финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО). Новая высокопроизводительная оснастка и химические составы обеспечивают высокое качество антифрикционного покрытия.

Сущность ФАБО состоит в том, что поверхность трения детали покрывается тонким слоем латуни, бронзы или меди путем использования явления переноса металла при трении. Перед нанесением покрытия обрабатываемую поверхность обезжиривают и покрывают глицерином или смесью, состоящей из двух частей глицерина и одной части 10%-ного раствора соляной кислоты. В процессе трения окисная пленка на поверхности стали разрыхляется, поверхность медного сплава пластифицируется и создаются условия для его схватывания со сталью. Толщина перенесенного слоя бронзы или латуни 1-2 мкм.

Преимущество ФАБО перед другими финишными операциями состоит в том, что этот метод чрезвычайно прост и не требует сложного оборудования. ФАБО придает стальной или чугунной поверхности высокие антифрикционные свойства. Опыт использования ФАБО для цилиндров двигателей внутреннего сгорания дал возможность существенно изменить мощность двигателя, хороший результат дало и применение ФАБО колес железнодорожного транспорта. Все это свидетельствует о необходимости и целесообразности проведения более обширных исследовательских работ, а также применения данного метода в более широких масштабах.

Проблема совершенствования смазывания деталей сочленений

Смазка резко снижает интенсивность изнашивания. Достаточно ввести в зону контакта деталей небольшое количество смазочного материала, как сила трения может снизиться в 10 раз, а износ поверхностей трения до 1000 раз.

Эффективность смазочной системы зависит от ее конструктивного совершенства и качества смазочного материала. Пока нет четких рекомендаций по дозировке и длительности подачи смазочных материалов в конкретные узлы трения машин. При переводе трущихся деталей машин в режим ИП необходимо создавать принципиально новые смазочные системы, которые бы обеспечили автоматическое регулирование параметров работы системы в зависимости от режима работы машины, то есть необходимо разрабатывать адаптированные смазочные системы, предупреждающие износ трущихся деталей машин и снижающие потери на трение.

В настоящее время уровень технического совершенства машин во многом определяется именно степенью организации смазывания узлов трения. Больше всего нуждается в смазочных системах станкостроительная, автомобильная и тяжелая промышленность. Увеличение выпуска смазочных масел должно сопровождаться повышением их эффективности, что требует проведения научно-исследовательских разработок по конструктивному и технологическому совершенствованию производства основных узлов систем, создания поточных линий, улучшения планирования и использования экономических стимулов повышения производительности труда. При этом большое внимание следует уделять использованию современных достижений триботехники. Смазочные системы должны использоваться в ряде машин (среди них металлорежущие станки кузнечно-прессовые машины, башенные краны и лифты, экскаваторы, тракторы, магистральные локомотивы, грузовые автомобили и автобусы, сельскохозяйственная техника и др.). По экспертной оценке специалистов оснащению смазочными системами и многоотводными насосами, обеспечивающими точность и своевременность подачи смазки, подлежит до 85% машин и оборудования (около 2,5 млн. единиц).

Для значительного повышения технического уровня и качества машин, их экономичности и надежности необходимо решить проблему смазывания. Это может быть обеспечено за счет повышения технического уровня и качества смазочного оборудования, его унификации и стандартизации, за счет конструктивного совершенства узлов трения машин, разработки и применения новых эффективных технологических процессов обработки трущихся деталей и других методик.

Повышение технического уровня смазочного оборудования целесообразно проводить по следующим основным направлениям:

• создание комплектного оборудования по принципу системы машин;
• расширение номенклатуры смазочных систем для различных видов стационарных и мобильных машин, а также различных производственных и климатических условий;
• создание автоматических систем, адаптирующихся к режимам работы основных узлов трения машин;
• уменьшение габаритов и металлоемкости узлов и аппаратов смазочных систем;
• повышение точности и стабильности подачи смазочного материала;
  совершенствование специализации и кооперирования производства;
• перевод смазочных систем на использование смазочных материалов, обеспечивающих режим ИП, чтобы исключить ремонт узлов трения машин по причине износа.

Проблему смазывания деталей нельзя отделит от изучения взаимодействия смазочного материала с металлом и влияние на это взаимодействие структурных факторов металла и легирующих элементов смазочного материала. Исследование такого взаимодействия с определением сил трения и износостойкости пар трения позволит оптимизировать структуру и химический состав металла и состав компонентов смазочного материала. Это научное направление, успешно развиваемое в последние годы и потребовавшее разработки новых физических методов исследования тонких поверхностных слоев металла (десятые доли микрометра), должно получить дальнейшее развитие в организациях как занимающихся созданием смазочных материалов, так и разрабатывающих износостойкие и антифрикционные сплавы. Именно результаты этих исследований будут положены в основу теории безызносности трущихся деталей.

Проблема исследования электрических, магнитных и вибрационных явлений при изнашивании

В литературе по триботехнике за последние 30-50 лет неоднократно обращалось внимание на роль электрических, магнитных и вибрационных процессов в трении, износе и смазке машин. Последние исследования процесса водородного изнашивания показали, что здесь кроются большие резервы в части повышения срока службы деталей машин и режущего инструмента. Электрические, магнитные, вибрационные, а также тепловые явления непосредственно не влияют на интенсивность изнашивания деталей или влияют незначительно, но они кардинально влияют на поведение водорода. Разрушительной силой в данном случае является именно водород, а не электрическое или магнитное поле. Это связано с тем, что водород имеет электрический заряд, который взаимодействует с указанными полями. Вибрации с высокими частотами также воздействуют на скорость изнашивания не сами по себе, а посредством электрических явлений, которые, в свою очередь, влияют на движение водорода и способствуют его образованию. Тепловые явления, как и напряжения, влияя самостоятельно на трение и износ, являются процессами образования водорода и способствуют продвижению его в зону контакта.

Все изложенное требует глубокой и всесторонней проработки как в теоретическом плане, так и при проведении экспериментальных исследований. Следует заметить, что исследование магнитных и электрических явлений при трении – это один из наиболее достоверных и эффективных путей изучения самой природы трения и изнашивания. Для управления процессом трения следует провести исследования по раздельному изучению электрических, термоэлектрических и магнитных явлений, установить роль каждого в зависимости от внешних условий трения и видов разрушения поверхностного слоя. Особенно следует обратить внимание на выявление нелинейности распределения зарядов в подвижном электрическом источнике зоны фрикционного контакта. Именно в нелинейности кроются многие до сего времени еще не известные процессы трения и изнашивания, определяющие кинетику и интенсивность этих физико-химических процессов.

Проблема разработки методов расчета деталей на износ

Наибольшее внимание при разработке методов расчета деталей на износ необходимо уделить методам расчета типовых наиболее изнашиваемых узлов машины: направляющих металлорежущих станков, зубчатых передач, подшипников скольжения и качения, кулачковых механизмов, фрикционных передач, уплотнений валов. По вопросам расчета указанных сочленений имеются фундаментальные разработки, которые подробно описаны в технической литературе и широко используются на практике.

Главной трудностью на пути подобных расчетов является то, что в процессе трения происходят физико-химические изменения в поверхностных слоях трущихся металлов, которые трудно поддаются математическому анализу.

Проблемы необычных условий работы машин и приборов

Сложность этой проблемы состоит, прежде всего, в том, что все узлы трения все чаще обязаны работать в условиях, принципиально отличных от тех, которые сформировались в нашу эпоху на поверхности Земли и которые с точки зрения человека являются наиболее привычными и естественными. Неудивительно, что опыт по разработке узлов трения, накопленный в машиностроении за весь период его развития, относится главным образом именно к земным условиям. Совершенно иными являются условия работы космических объектов, характеризуемые высоким и сверхвысоким вакуумом, интенсивным воздействием различных излучений, необычными тепловыми ус?